CN115795874A - 一种基于目标结构响应的动态炸点计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法，在不增加武器弹药动爆试验中目标毁伤效应测量内容的前提下，要求毁伤效应数值计算模型与实际目标效应物模型一致、加速度测点位置一致，加速度测点主要位于建筑或船舶的强力结构上，以减少应力波跨介质、跨构件传播。动态炸点分析方法主要是在实际与仿真计算模型一致的基础上，提取相同测点的实测和仿真加速度数据的特征参数，经过构造函数、遍历计算、对比分析等过程得到动态炸点。本发明有效解决建筑或船舶内部无法通过光学方法直接获取炸点位置的难题，最终为检验战斗部引战配合以及精确评估武器弹药的毁伤效能奠定基础。

Description

一种基于目标结构响应的动态炸点计算方法

技术领域

本发明属于爆炸电信号测量、目标毁伤效应仿真计算、毁伤评估技术领域，涉及一种基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法。

背景技术

武器弹药的威力场可使用冲击波、破片等毁伤元的相关参量来表示，如冲击波超压、动压，破片密度、冲量等，这些参量可在战斗部的预置静爆试验中测量得到。在准确测量分析得到武器弹药威力场的基础上，可开展针对目标效应物的动态爆炸试验对其毁伤能力进行评估，进而摸清武器弹药的毁伤效能底数。动爆试验的特点是，武器弹药和目标较为明确，但武器弹药打击目标时爆炸的位置在一定范围内具有随机性。其中，在动爆试验中，可对目标效应物的破口、变形、应变、位移、速度、加速度等物理参量进行有效测量，而试验中的一个关键问题就是准确获取爆炸时的弹目交会位置，以便更好的检验战斗部引战配合以及精确评估武器弹药的毁伤效能。

当目标效应物为坦克、装甲车辆、驻停飞机等时，由于武器弹药的炸点位于目标外或者接触爆炸，可以通过适当场景的高速摄像等光学测量，结合双目或多目定位图像处理技术，准确得到炸点位置，其误差主要来自于光学测量设备的性能参数、双目或多目定位的算法及标定等方面，误差大小可控、可知，满足毁伤效能评估中炸点位置的输入要求，这种方式属于直接测量炸点位置。

当目标效应物是建筑或船舶时，一般使用侵爆或半穿甲类武器弹药，其炸点位于目标效应物内部，很难通过光学测量设备进行测量分析炸点位置，主要原因是：建筑房间或船舶舱室数量较多，考虑到武器弹药的命中精度及引战配合，动态试验中无法预先确认命中的房间或舱室，难以布设光学测量设备；当使用分布式光学测量设备布设在建筑或船舶每个房间或舱室中时，由于密闭空间内爆炸产生准静态压力并且光学设备离炸点较近，虽然一定程度上可以获取有效的数据，但冲击波、破片等毁伤元大概率会损毁光学设备，若光学测量设备是高速摄像机则成本太高且很难实时传输获取的图像数据，若光学测量设备是前置的普通高清摄像头则由于帧频较低导致精度达不到毁伤评估的要求。为了解决上述问题，本发明提出了一种基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法，在考虑经济性的前提下实现高精度的炸点测量计算，属于间接测量方法。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法。技术方案包括三大模块，即毁伤效应测量、毁伤效应数值计算、动态炸点分析计算。

技术方案

一种基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、毁伤效应测量：根据弹药战技性能参数，动态试验前预判弹药的可能炸点位置，并依据相关力学原理在目标结构上布设多个加速度传感器，加速度传感器的采样频率大于200KHz；

步骤2、试验后炸点宏观位置判断：依据目标的宏观毁伤结果，判断炸点所处的舱室；

步骤3、毁伤效应数值计算：

根据目标结构建造图纸或者目标实物，对目标结构进行三维几何建模，对模型进行有限元网格划分，添加目标结构的材料属性、边界条件等；

对战斗部进行建模，设置爆炸求解的参数及战斗部运动约束条件；

设定某种弹药与目标的相对位置，建立侵爆弹药对目标毁伤的有限元数值计算模型；

依据实际测量中加速度测点位置，在有限元模型的对应位置设置加速度数据提取参数，数据提取频率与实际测量的采样率一致；

提交求解器求解，并提取计算结果中加速度数据；

步骤4、遍历计算：

将步骤2得到的目标结构上的舱室均匀划分成数N个小区域，依次以每个小区域中心作为战斗部模型的布放位置，并提取N个工况对应所有测点的加速度时域数据；

步骤5、动态炸点分析计算：

基于对应测点的测量和仿真计算的加速度时域信号，提取起跳时间、峰值特征参数，使用多个点的这些特征参数构建目标函数；输入N个工况的数据，以目标函数的值最优作为评判标准，得到该工况下的炸点坐标即为分析计算结果；

具体为利用加速度起跳时间单一变量判断炸点，设实测加速度信号的基准点起跳时间为T_Bm，对应的仿真计算点加速度信号的基准点起跳时间为T_Bs，G_T为通过加速度起跳时间判断炸点位置的目标函数：

其中，i取1到N，当G_Ti最小时即为求得炸点所在小区域，中心位置为炸点位置。

所述步骤5中利用加速度峰值等单一变量判断炸点，令P_T为通过加速度峰值判断炸点位置的目标函数，则：

其中，i取1到N，P_Ti最小即求得炸点所在小区域，中心位置为炸点位置。

所述步骤5中采用多变量分析法，以加速度起跳时间和加速度峰值多变量判断炸点，含义不变，采用多目标优化G_T、P_T的方法，找到多G_T、P_T目标函数的Pareto最优解，即为定位炸点所在小区域。

所述测点选择为：对于建筑，测点分布式布设在主承力结构内部的钢筋上；对于船舶，测点分布式布设在纵骨强力结构上。

所述N个小区域的划分数目取决于毁伤评估对炸点精度需求。

所述对炸点舱室进行区域划分时，先进行粗分得到最优区域；再将最优区域进行划分得到更小区域，直到满足精度需求为止。

所述加速度传感器以应变片取代，加速度信号为应变片的应变信号。

有益效果

本发明提出的一种基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法，在不增加武器弹药动爆试验中目标毁伤效应测量内容的前提下，结合数值仿真计算技术，在获取测量和仿真计算得到的目标结构加速度或应变动态响应特征参数的基础上，通过对比分析计算，间接给出高精度的炸点坐标位置，有效解决建筑或船舶内部无法通过光学方法直接获取炸点位置的难题，最终为检验战斗部引战配合以及精确评估武器弹药的毁伤效能奠定基础。

本发明包含毁伤效应测量、毁伤效应数值计算、动态炸点分析计算等三个模块，要求毁伤效应数值计算模型与实际目标效应物模型一致、加速度测点位置一致，加速度测点主要位于建筑或船舶的强力结构上，以减少应力波跨介质、跨构件传播。动态炸点分析方法主要是在实际与仿真计算模型一致的基础上，提取相同测点的实测和仿真加速度数据的特征参数，经过构造函数、遍历计算、对比分析等过程得到动态炸点。

在获取实测加速度信号以及遍历数值计算获取加速度信号的基础上，其特征在于采用单变量分析法、多变量分析法、人工智能分析法等计算炸点位置。该方法可应用于船舶、建筑等目标内动态炸点定位，炸点的精度可根据需求对迭代计算数量进行调整，同时目标响应参数不局限于加速度，可选取应变等参数。

本发明不增加动爆试验中目标毁伤效应的测量方法及内容，提出一种综合测量与仿真数据处理的方法，有效获取建筑或船舶内部炸点位置，结果可靠性高，方法经济性较好。

本发明基于加速度参数的电信号测量，不受环境的烟尘等干扰，可分析计算多发战斗部连续打击建筑或船舶时的动态炸点，仿真计算的工况数可根据精度要求调整，整体上适应性好。

附图说明

图1：实施例船舶舱室分布示意图

图2：实施例炸点舱室划分及加速度测点示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

下面以目标效应物是船舶结构、测量参数选取加速度为例进行说明，目标效应物是建筑物、测量参数是应变等可参考。

一、毁伤效应测量：在动态爆炸试验背景下，目标结构毁伤效应测量参数选取加速度，测量方法与正常动爆试验一致。需要注意：一是根据毁伤评估输入需求，采样频率应较高，一般应大于200K，大多数数采设备都满足要求。二是对于建筑，测点应分布式布设在主承力结构内部的钢筋上；对于船舶，考虑到多数船舶为纵骨架结构，测点应分布式布设在纵骨强力结构上。这种测点布设方法是为了减少应力波跨介质、跨构件传播，分布式布设的原因是炸点所处的房间或舱室未知。具体为：

步骤1加速度传感器布设

基于动爆试验测量方案，结合武器弹药战技参数，在可能内爆的舱室均布设加速度传感器。一般，对于舱室内爆，加速度测量三个方向，采样频率不小于200K，传感器主要布设在纵向加强结构上面，传感器安装方式以螺栓连接为主。

步骤2加速度测量与处理

采集存储加速度时域信号，剔除异常数据，提取起跳点、峰值点等特征点参数。

步骤3动爆试验目标效应物毁伤情况分析

基于动爆试验目标效应物毁伤情况，可初步判断炸点所处的舱室，假设炸点位于0号舱室(如图1所示，为船舶舱段的舱室分布纵剖示意图，规定了坐标系方向)，其中相邻舱室标记为1号舱室、2号舱室、3号舱室、4号舱室、5号舱室(Y向正向)、6号舱室(Y向负向)，0号和1号共用面标记为01板、0号和2号共用面标记为02板、0号和3号共用面标记为03板、0号和4号共用面标记为04板、0号和5号共用面标记为05板、0号和6号共用面标记为06板。

若0号舱室毁伤部位主要靠近01板，则重点选取远离01板的3号舱室以及3号相邻舱室板壁(除去0号舱室板壁)的加速度测点信号进行分析。其主要原因是01板的破坏(特别是大破口)会导致冲击波、应力波传播途径的改变，非线性因素太强，另外，考虑后面仿真计算时线弹性计算精度高于塑性及破口精度，所以选择远离01板的舱室的加速度信号进行分析。若是毁伤部位靠近02板，则重点选取远离02板的4号舱室以及4号相邻舱室板壁(除去0号舱室板壁)的加速度测点信号进行分析，依次类推。

二、毁伤效应数值计算：

1)目标结构三维建模：基于建筑和船舶的建造图纸对目标结构进行三维建模，确保三维模型与实际结构的一致性。

2)数值计算建模：在目标结构三维建模的基础上，进行有限元网格划分，添加材料属性、边界条件等内容；对战斗部进行建模，设置爆炸求解的参数及战斗部运动约束条件；添加要提取加速度的有限元单元或节点，单元或节点位置与实际测量中加速度测点布设位置一致，提交求解器求解。需要注意的是如何选取数值计算中战斗部的布放位置：首先根据动爆试验结果，确定爆炸所处的房间或舱室；其次，根据毁伤评估对炸点精度需求，将房间或舱室均匀划分成数个小区域；最后，以每个方块的中心作为战斗部布放位置，若房间或舱室划分N个小区域，则需要求解模型的N个工况，计算量和数据量都较大。

3)结果数据提取：依次提取N个工况对应所有测点的加速度时域数据。

具体为：

步骤4目标三维结构建模

基于船舶的建造图纸对目标结构进行三维建模，确保三维模型特别是炸点及附近舱室与实际结构的一致性。

步骤5目标数值计算建模

在目标结构三维建模的基础上，进行有限元网格划分，添加材料属性、边界条件等内容；添加要提取加速度的有限元单元或节点，单元或节点位置与实际测量中加速度测点布设位置一致。

步骤6战斗部数值计算建模

对战斗部进行建模，设置爆炸求解的参数及战斗部运动约束条件(如速度等)。

三、动态炸点分析计算：基于对应测点的测量和仿真计算的加速度时域信号，提取起跳时间、峰值等特征参数，使用多个点的这些特征参数构建目标函数。输入N个工况的数据，以目标函数的值最优作为评判标准，以确认最优时的工况，进而得到该工况下的炸点坐标即为分析计算结果。

具体为：

步骤7炸点遍历计算

如图2所示，若0号舱室毁伤部位主要靠近01板，则加速度测点数据主要选取纵向加强结构上的A₁、A₂、A₃、A₄、A₁₁、A₂₁、A₃₁、A₄₁......等测点。依据炸点定位精度要求对0号舱室进行区域划分，如图2所示将0号舱室划分5×5×5＝125个小区域，设每个小区域中心点坐标为(x₀₀，y₀₀，z₀₀)、(x₀₁，y₀₁，z₀₁)、(x₀₂，y₀₂，z₀₂)……。按照125个小区域中心点坐标设定为炸点坐标，进行遍历有限元数值计算，得到A₁、A₂、A₃、A₄、A₁₁、A₂₁、A₃₁、A₄₁......等测点的加速度时域信号。

步骤8炸点数据分析

设点A₁、A₂、A₃、A₄、A₁₁、A₂₁、A₃₁、A₄₁......等对应实测点加速度起跳时间为T_1m、T_2m、T_3m、T_4m、T_11m、T_21m、T_31m、T_41m......等(m为measure)，对应仿真点的加速度起跳时间为T_1s、T_2s、T_3s、T_4s、T_11s、T_21s、T_31s、T_41s......等(s为simulation)；实测点对应的加速度峰值为P_1m、P_2m、P_3m、P_4m、P_11m、P_21m、P_31m、P_41m……等(m为measure)，对应仿真点的加速度起跳时间为P_1s、P_2s、P_3s、P_4s、P_11s、P_21s、P_31s、P_41s……等(s为simulation)。

采用以下三种方法确定炸点位置：

(1)单变量分析法

一是利用加速度起跳时间单一变量判断炸点，选取实测信号较理想的点作为加速度信号基准点，其起跳时间标记为T_Bm，对应的仿真计算点加速度起跳时间标记为T_Bs，标记令G_T为通过加速度起跳时间判断炸点位置的目标函数，则：

令G_T最小即可求得炸点所在小区域。

二是利用加速度峰值等单一变量判断炸点，令P_T为通过加速度峰值判断炸点位置的目标函数，则：

令P_T最小即可求得炸点所在小区域。

(2)多变量分析法

利用加速度起跳时间、加速度峰值等多变量判断炸点，G_T、G_P含义不变，通过多目标优化方法，找到多G_T、P_T等目标函数的Pareto最优解，即可定位炸点所在小区域。

(3)人工智能分析法

以大量随机位置炸点的加速度起跳时间、加速度峰值模拟结与小区域中心加速度起跳时间、加速度峰值数值模拟结果为训练样本，构建深度模型进行有监督学习，通过对深度模型层级和权重的调节，构建炸点预测神经网络，进而通过实测加速度数据预测炸点位置。

在对炸点舱室进行区域划分时，可以先进行粗分，按照上述方法得到最优区域；再将该区域进行划分，继续按照上述方法得到更小区域，直到满足精度需求为止。

Claims (7)

1.一种基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1、毁伤效应测量：根据弹药战技性能参数，动态试验前预判弹药的可能炸点位置，并依据相关力学原理在目标结构上布设多个加速度传感器，加速度传感器的采样频率大于200KHz；

步骤2、试验后炸点宏观位置判断：依据目标的宏观毁伤结果，判断炸点所处的舱室；

步骤3、毁伤效应数值计算：

根据目标结构建造图纸或者目标实物，对目标结构进行三维几何建模，对模型进行有限元网格划分，添加目标结构的材料属性、边界条件等；

对战斗部进行建模，设置爆炸求解的参数及战斗部运动约束条件；

设定某种弹药与目标的相对位置，建立侵爆弹药对目标毁伤的有限元数值计算模型；

依据实际测量中加速度测点位置，在有限元模型的对应位置设置加速度数据提取参数，数据提取频率与实际测量的采样率一致；

提交求解器求解，并提取计算结果中加速度数据；

步骤4、遍历计算：

将步骤2得到的目标结构上的舱室均匀划分成数N个小区域，依次以每个小区域中心作为战斗部模型的布放位置，并提取N个工况对应所有测点的加速度时域数据；

步骤5、动态炸点分析计算：

基于对应测点的测量和仿真计算的加速度时域信号，提取起跳时间、峰值特征参数，使用多个点的这些特征参数构建目标函数；输入N个工况的数据，以目标函数的值最优作为评判标准，得到该工况下的炸点坐标即为分析计算结果；

具体为利用加速度起跳时间单一变量判断炸点，设实测加速度信号的基准点起跳时间为T_Bm，对应的仿真计算点加速度信号的基准点起跳时间为T_Bs，G_T为通过加速度起跳时间判断炸点位置的目标函数：

其中，i取1到N，当G_Ti最小时即为求得炸点所在小区域，中心位置为炸点位置。

2.根据权利要求1所述基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法，其特征在于：所述步骤5中利用加速度峰值等单一变量判断炸点，令P_T为通过加速度峰值判断炸点位置的目标函数，则：

其中，i取1到N，P_Ti最小即求得炸点所在小区域，中心位置为炸点位置。

3.根据权利要求1所述基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法，其特征在于：所述步骤5中采用多变量分析法，以加速度起跳时间和加速度峰值多变量判断炸点，含义不变，采用多目标优化G_T、P_T的方法，找到多G_T、P_T目标函数的Pareto最优解，即为定位炸点所在小区域。

4.根据权利要求1所述基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法，其特征在于：所述测点选择为：对于建筑，测点分布式布设在主承力结构内部的钢筋上；对于船舶，测点分布式布设在纵骨强力结构上。

5.根据权利要求1所述基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法，其特征在于：所述N个小区域的划分数目取决于毁伤评估对炸点精度需求。

6.根据权利要求1或5所述基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法，其特征在于：所述对炸点舱室进行区域划分时，先进行粗分得到最优区域；再将最优区域进行划分得到更小区域，直到满足精度需求为止。

7.根据权利要求1所述基于目标结构响应的动态炸点分析计算方法，其特征在于：所述加速度传感器以应变片取代，加速度信号为应变片的应变信号。

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